CN109732166A

CN109732166A - 一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法

Info

Publication number: CN109732166A
Application number: CN201910218998.5A
Authority: CN
Inventors: 王娟; 李亚江
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109732166B

Abstract

本发明涉及硬质合金与不锈钢的连接技术领域，尤其涉及一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法。所述方法包括如下步骤：1)在奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点；2)将铜基钎料表面的氧化膜清除干净；3)将铜基钎料放置于硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊表面之间，搭接组装后得到待焊组合件；4)将待焊组合件置于真空扩散炉中进行钎焊，当真空扩散焊炉内温度达到钎焊温度时，对焊件施加轴向压力；5)焊件扩散钎焊保温完成后，卸去压力，随炉冷却至设定温度保温；然后继续随炉冷却至设定温度，取出焊件。本发明方法解决了现有硬质合金与奥氏体不锈钢钎焊接头强度较低和激光焊工艺复杂等问题，而且显著改善了复合件的焊接接头的力学性能。

Description

一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法

技术领域

本发明涉及硬质合金与不锈钢的连接技术领域，尤其涉及一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法。

背景技术

本发明背景技术中，公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

硬质合金是由难熔金属碳化物和粘结剂金属通过粉末冶金方法合成的，具有很高的硬度、耐磨性及良好的红硬性和导热率，广泛用于机械加工、航空航天、石油化工、电子通讯等工业领域。奥氏体不锈钢具有较高的耐蚀性，与硬质合金的连接件可在腐蚀性介质中使用。但两种母材之间的线膨胀系数相差悬殊，硬质合金的线膨胀系数一般仅为奥氏体不锈钢的1/3～1/2，焊接工艺的冷却过程中由于不锈钢一侧较大的收缩量而使得在硬质合金侧形成较大的残余拉应力，往往使接头性能不理想。

目前工业应用中，硬质合金与奥氏体不锈钢的连接方法主要有钎焊、扩散焊和激光焊。采用银基钎料钎焊连接硬质合金与奥氏体不锈钢，获得的接头强度不能满足高强使用条件；采用镍基中间层合金扩散连接硬质合金和不锈钢，焊件虽然具有良好的高温使用性能，但高温强度性能仍然受限；采用激光焊接硬质合金和奥氏体不锈钢，由于需要加填充金属而使焊接工艺复杂，增加制造成本。专利文献201410310776.3公开了一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，该文献采用中间层纯铜实现了镁合金与钢的低温低压焊接，但接头强度不高，无法指导硬质合金和不锈钢的高强连接；因此，需要继续探索适于实现硬质合金和不锈钢的高强连接的焊接方法。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法。本发明的方法不仅解决了现有硬质合金与奥氏体不锈钢钎焊接头强度较低和激光焊工艺复杂等问题，而且显著改善了复合件的焊接接头的力学性能。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

本发明的第一目的：提供一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，一方面，本发明通过铜基钎焊钎料实现与硬质合金和不锈钢的润湿作用，另一方面在钎焊最高温度保温过程中施加压力，加速钎缝中的Ni元素向不锈钢母材和硬质合金中扩散，同时又可以起到减少结合界面缺陷的作用。这两种作用相互促进，加速了钎料与母材的相互扩散和界面结合，有利于提高硬质合金和钎缝的界面强度，保证焊接质量。具体的，所述方法包括如下步骤：

第一步：对硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊面进行清理，以除去油污、氧化皮等；

第二步：在奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，以便于在后续加压过程中仍然能够保证钎料有效存在于硬质合金和奥氏体不锈钢待焊面之间的钎焊间隙中，保证钎缝中的元素向硬质合金和不锈钢母材的扩散；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净；

第四步：将铜基钎料放置于硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊表面之间，然后对硬质合金和奥氏体不锈钢进行搭接组装，得到待焊组合件；

第五步：将待焊组合件置于真空扩散炉中进行钎焊，当真空扩散焊炉内温度达到钎焊温度时，对焊件施加轴向压力；

第六步：焊件扩散钎焊保温完成后，卸去压力，随炉冷却至设定温度保温；然后继续随炉冷却至设定温度，取出焊件。

第一步中，所述清理的方法为：将硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

第一步中，所述硬质合金包括YG6，YG8或YG20硬质合金等；所述奥氏体不锈钢为06Cr19Ni10或06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢。

第二步中，所述凸点将钎焊间隙控制在0.08～0.2mm之间。

第三步中，所述铜基钎料的化学成分及各成分的重量百分比为：Ni 2％～5％；Sn0.5％～1.5％；Si 0.1％～0.5％；Cu余量。

本发明通过向铜基钎料合金中添加Ni，不仅具有提高钎料的耐腐蚀性能的作用，同时由于Cu与Ni的无限互溶，使Ni溶解在铜的固溶体中，这些固溶体与硬质合金反应，使钎料在界面铺展，起到了促进难熔硬质合金的润湿的作用，提高焊接接头的性能；通过将钎料合金中Sn的含量控制在设定比例，能够很好地调整钎料的熔点，改善熔融钎料的流动性；而Si元素的加入一方面可以起到脱氧的作用，另一方面可以在钎焊过程中与Ni形成Ni₂Si相，在钎缝中起到沉淀强化的作用，进一步提高钎焊接头的强度。

所述第五步中的钎焊，其工艺参数为：加热速率5～10℃/min；钎焊温度为1020～1120℃/min；保温时间20～50min。

第五步中，所述轴向压力为5～10MPa。

第六步中，卸去压力后，先随炉冷却至350℃保温30min；然后随炉冷却至100℃，取出焊件。

本发明的第二目的，是提供所述硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法在机械加工、航空航天、石油化工、电子通讯等领域中的应用，尤其是在盾构机、刮板中的应用，因为通过本发明方法获得的硬质合金与奥氏体不锈钢接头具有耐腐蚀、强度高等特点，恰好适用于这些复杂工况。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)与现有焊接工艺相比，本发明提供的工艺具有钎焊温度低、保温时间短、附加压力小、对设备要求低且焊接效率高等特点。

(2)本发明采用无银化设计的铜基钎料合金，成本低，且与硬质合金基体润湿及界面行为优良，同时由于铜基合金中添加了Ni和Sn等合金元素，获得的硬质合金与不锈钢接头具有耐腐蚀、强度高等优点，接头可适用于盾构机、刮板等复杂工况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例和对比例中硬质合金与不锈钢的扩散钎焊的示意图，其中：1为不锈钢，2为铜基钎料，3为硬质合金。

图2为本发明实施例1中硬质合金与不锈钢扩散钎焊接头剖面图，其中：1为不锈钢，2为钎缝，3为硬质合金。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，现有的采用银基钎料钎焊连接硬质合金与奥氏体不锈钢、采用镍基中间层合金扩散连接硬质合金和不锈钢，以及采用激光焊接硬质合金和奥氏体不锈钢等方法均或多或少地存在一些缺陷。因此，本发明提出一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

一种YG6硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，包括如下步骤：

第一步：将YG6硬质合金和06Cr19Ni10奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

第二步：在06Cr19Ni10奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，控制硬质合金和不锈钢待焊面之间的钎焊间隙为0.08mm；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 94.4％，Ni5％；Sn 0.5％；Si 0.1％；

第四步：将铜基钎料放置于硬质合金和不锈钢的待焊表面之间，进行搭接组装，得到待焊组合件(可参考图1)；

第五步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以10℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1020℃，对焊件施加5MPa的轴向压力，保温时间50min；

第六步：焊件扩散钎焊保温完成后，卸去压力，随炉冷却至350℃，保温30min；最后随炉冷却至100℃，取出焊件。

获得的YG6硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷(参考图2)，接头剪切强度为220MPa。

实施例2

一种YG8硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，包括如下步骤：

第一步：将YG8硬质合金和06Cr19Ni10奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

第二步：在06Cr19Ni10奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，控制硬质合金和不锈钢待焊面之间的钎焊间隙为0.2mm；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 96.2％，Ni 3％；Sn 1.5％；Si 0.3％；

第五步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以5℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1120℃，对焊件施加8MPa的轴向压力，保温时间30min；

获得的YG8硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷，接头剪切强度为208MPa。

实施例3

一种YG20硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，包括如下步骤：

第一步：将YG20硬质合金和06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

第二步：在06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，控制硬质合金和不锈钢待焊面之间的钎焊间隙为0.15mm；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 94.3％；Ni 5％；Sn 0.2％；Si 0.5％；

第五步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以8℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1080℃，对焊件施加10MPa的轴向压力，保温时间20min；

获得的YG20硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷，接头剪切强度为232MPa。

实施例4

一种YG8硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，包括如下步骤：

第一步：将YG8硬质合金和06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

第二步：在06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，控制硬质合金和不锈钢待焊面之间的钎焊间隙为0.1mm；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 96.5％；Ni 2％；Sn 1.0％；Si 0.5％；

第五步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以6℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1050℃，对焊件施加10MPa的轴向压力，保温时间35min；

获得的YG8硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷，接头剪切强度为226MPa。

对比例1

第二步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 94.9％，Ni5％；Si 0.1％；

第三步：将铜基钎料放置于硬质合金和不锈钢的待焊表面之间，进行搭接组装，得到待焊组合件(可参考图1)；

第四步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以10℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1080℃，对焊件施加5MPa的轴向压力，保温时间50min；

第五步：焊件扩散钎焊保温完成后，卸去压力，随炉冷却至350℃，保温30min；最后随炉冷却至100℃，取出焊件。

获得的YG6硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷，接头剪切强度为138MPa。

对比例2

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 98.2％，Sn 1.5％；Si 0.3％；

获得的YG8硬质合金与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢扩散钎焊接头出现局部润湿不充分现象和微裂纹缺陷，接头剪切强度仅为104MPa。

对比例3

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净，铜基钎料的化学成分重量百分比为：Cu 94.8％；Ni 5％；Sn 0.2％；

获得的YG20硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无裂纹缺陷，接头剪切强度为152MPa。

对比例4

第三步：将纯铜钎料放置于硬质合金和不锈钢的待焊表面之间，进行搭接组装，得到待焊组合件(可参考图1)；

第四步：将待焊组合件置于真空扩散炉中，关闭炉门，抽真空，然后以6℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1120℃，对焊件施加10MPa的轴向压力，保温时间35min；

获得的YG8硬质合金与06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢扩散钎焊接头无明显扩散现象，接头剪切强度仅为131MPa。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步：对硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊面进行清理；

第二步：在奥氏体不锈钢待焊表面设置凸点，以控制硬质合金和奥氏体不锈钢待焊面之间的钎焊间隙；

第三步：将铜基钎料表面的氧化膜清除干净；

2.如权利要求1所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第二步中，所述凸点将钎焊间隙控制在0.08～0.2mm之间。

3.如权利要求1所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第三步中，所述铜基钎料的化学成分及各成分的重量百分比为：Ni2％～5％；Sn0.5％～1.5％；Si0.1％～0.5％；Cu余量。

4.如权利要求1所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，所述第五步中的钎焊，其工艺参数为：加热速率5～10℃/min；钎焊温度为1020～1120℃/min；保温时间20～50min。

5.如权利要求1所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第五步中，所述轴向压力为5～10MPa。

6.如权利要求1所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第六步中，卸去压力后，先随炉冷却至350℃保温30min；然后随炉冷却至100℃，取出焊件。

7.如权利要求1-6任一项所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第一步中，所述清理的方法为：将硬质合金和奥氏体不锈钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用。

8.如权利要求1-6任一项所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法，其特征在于，第一步中，所述硬质合金包括YG6，YG8或YG20硬质合金；所述奥氏体不锈钢包括06Cr19Ni10或06Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢。

9.如权利要求1-6任一项所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法在机械加工、航空航天、石油化工、电子通讯领域中的应用。

10.如权利要求1-6任一项所述的硬质合金与奥氏体不锈钢的扩散钎焊方法在盾构机、刮板制备中的应用。